方形孔径自聚焦透镜阵列及其制作方法

摘要

本发明涉及方形孔径自聚焦透镜阵列及其制作方法，其特征在于：在一个“ㄩ”形框内，设有多个按规则排列成阵列的方形自聚焦透镜，方形自聚焦透镜之间用胶粘接固定，“ㄩ”形框的上面粘接有一块保护玻璃基片。方形孔径自聚焦透镜阵列的制作方法，包括以下步骤：方形玻璃丝的制作、方形自聚焦透镜的制作和方形孔径自聚焦透镜阵列的制作。制作的方形自聚焦透镜，经过像差校正后，折射率分布接近理想状态，成像性能好。理论和实验证明，方形自聚焦透镜的折射率分布不仅与径向坐标r有关，而且与角度坐标θ有关。只要单个方形自聚焦透镜的几何尺寸精度高，制作出的微透镜阵列就会有很高的填充系数，达到95％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及微小光学元件及其制作方法，具体涉及方形孔径自聚焦透镜阵列及其制作方法。

背景技术

随着光学元件的微型化，势必使分立元件向阵列元件发展。但目前制作的微透镜阵列的透镜元多是圆柱形或半球形，折射率分布具有径向对称或旋转对称，在光信息处理中有广泛应用。圆柱形或半圆球形透镜元构成微透镜阵列的典型排列方式有两种：一种是正方形排列。这种排列方式存在的最大问题是填充系数(定义为有效受光面积与微透镜总面积之比)小，理论极限值为78.8％，有21％以上的光信息被透镜元间的空隙泄漏掉了。另一种是六角紧密排列。这种排列方式使填充系数有所提高，理论极限值为90.7％，光信息传输漏泄有所减少，但仍存在9.3％的光信息泄漏。总之，这两种排列方式，虽制作工艺简单，但因不能很好消除透镜元间的空隙对光信息的漏泄，从而不可能从根本上解决提高填充系数、减少光信息漏泄问题。在光信息的聚焦、整形、耦合连接、互连、成像以及要求光信息元无泄漏的情况下，实现高填充系数就成为微透镜阵列必须解决的一个关键技术，也是发展新型光子器件的关键之一。

上世纪80年代末以来，不少学者在提高微透镜阵列的填充系数方面作了一些探索。但到目前为止，微透镜阵列的透镜元通常都是圆球形。异形透镜元及其阵列的制作工艺仍处于研究、探索阶段，而且还存在像差大的困难。因此，深入研究提高微透镜阵列填充系数的方法，制作出可以应用的异形(六边形、矩形、正方形等)微透镜及异形孔径微透镜阵列是当前科技界面临的重要任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种方形孔径自聚焦透镜阵列及其制作方法。该阵列的填充系数高，光信息漏泄小，传输光信息失真小；同时提供一种制作方形孔径自聚焦透镜阵列的方法。

理论分析和实验证明，方形铊玻璃丝在一定温度下的KNO₃熔盐中，经过一定时间的离子交换后，由于玻璃中的T1⁺和溶盐中的K⁺发生交换，玻璃中形成的T1⁺离子浓度的分布服从通常的扩散方程。在方形截面的边界条件和一定的初始条件下，玻璃中T1⁺离子的浓度分布c(r，θ)满足如下关系：

$C(r,\theta )=a_0+a_1{r}^{\frac{1}{2}}\cos \frac{\theta }{2}+a_{2}r\cos \theta +r^{\frac{3}{2}}(a_2\cos \frac{3\theta }{2}-a_3)+\Lambda$

通常，玻璃的折射率与铊离子浓度有线性关系。因此，离子交换后，方形玻璃丝的折射率分布可以写成：

$n(r,\theta )=a_0+a_1{r}^{\frac{1}{2}}\cos \frac{\theta }{2}+a_{2}r\cos \theta +r^{\frac{3}{2}}(a_2\cos \frac{3\theta }{2}-a_3)\mathrm{\Lambda \Lambda \Lambda \Lambda \Lambda \Lambda }---\left[1\right]$

上式表明，方形自聚焦透镜的折射率分布n(r，θ)不仅与径向坐标r有关，而且还与方位角坐标θ有关。式中的系数a₀，a₁，a₂和a₃是四个待定常数，可通过实验确定。(见韩艳玲硕士论文：方形自聚焦透镜及阵列的理论分析和制作工艺。重庆，西南大学，2006年)具有折射率分布[1]的介质，具有聚焦、成像功能。但因对称性比普通圆柱形自聚焦透镜低，像差较大。因此，在应用中必须采用像差校正技术来改善像差，提高成像质量。

本发明所述的方形孔径自聚焦透镜阵列，其特征在于：在一个“ㄩ”形框(1)内，设有多根按规则排列成阵列的方形自聚焦透镜(2)，方形自聚焦透镜之间用胶粘接固定，“ㄩ”形框的上面粘接有一块保护玻璃基片(3)。

上述的方形孔径自聚焦透镜阵列，其特征在于：各方形自聚焦透镜的尺寸非均匀性度和光学性能非均匀性度均小于1％，填充系数大于95％。光信息的漏泄很小。

本发明所述的方形孔径自聚焦透镜阵列的制作方法，包括三个步骤；

(1)方形玻璃丝的制作

将具有直径为0.5～3mm的圆形玻璃丝用切割机切成5～15mm的玻璃短丝，再将数根玻璃短丝用蜂胶并排地粘在一块玻璃基片上，经过研磨、抛光，将并排的玻璃短丝磨出一个平面；然后，加热基片玻璃，取下有一个平面的玻璃短丝，反向将平面部分粘在玻璃基片上，用同样的工艺加工玻璃短丝的第二个平面，再加工第三个和第四个平面，就制成正方柱体玻璃短丝；

由于方形柱体玻璃短丝的尺寸精度和透镜阵列的填充系数有很大关系，因此，对方形的几何尺寸精度要求很高，四个边长误差要小于1％，四个角的精度要达到90°+0.1°；

(2)方形自聚焦透镜的制作

首先，对加工合格的方形玻璃短丝进行离子交换处理，使均匀的折射率变成非均匀的折射率；离子交换处理在炉温非常稳定，温度波动≤0.5度和温度非常均匀的离子交换炉中进行，溶盐采用KNO₃，交换温度530℃±15℃，交换时间100～120小时；

其次，采用我们自己提出的方法(见刘德森编著：“变折射率介质理论及其技术实践”，西南师范大学出版社，2005.11第一版)，测量离子交换得到的交换丝的“周期数据”，再采用玻璃切割、研磨工艺，将交换丝加工成四分之一周期长度的方形自聚焦透镜；制作的方形自聚焦透镜的参数是，边长：1.30mm，聚焦常数：0.376mm^-1，长度：10.21mm；

第三，测量折射率分布，将方形自聚焦透镜样品嵌镶在有机玻璃中，经过精密的研磨加工，做成厚度为0.19mm～0.25mm的干涉片，采用雅明干涉方法(见刘德森编著：“变折射率介质理论及其技术实践”，西南师范大学出版社，2005.11第一版)，得出方形自聚焦透镜的干涉条纹图像.通过测试不同级次的条纹半径长度，进而求出折射率在不同半径上的值.从而可以得到不同r值处的折射率。

测试结果表明，不同方向角上尽管半径一样但折射率不同，说明方形自聚焦透镜的折射率分布与半径和方向角均有关。结合实验数据，得到折射分布表达式[1]中的四个常数，于是，方形自聚焦透镜折射率分布的数学表达式可写成：

$n(r,\theta )=1.617-0.010r^{\frac{1}{2}}\cos \frac{1}{2}\theta -0.031\left(r\cos \theta {+r}^{\frac{3}{2}}\cos \frac{3}{2}\theta \right)+0.021r^{\frac{3}{2}}\mathrm{\Lambda \Lambda \Lambda \Lambda \Lambda }---\left[2\right]$

方形自聚焦透镜也可以这样制作。首先，对圆柱铊玻璃丝采用(2)相同工艺在离子交换炉中进行离子交换，得到变折射率分布后，其次，采用和前面相同的工艺将圆柱形自聚焦透镜制作成方形自聚焦透镜。

第四，像差校正，上述方法制作的方形自聚焦透镜，存在较大的像差。为了改善方形自聚焦透镜的像差特性，就要改进一次离子交换后玻璃丝的折射率分布。为此可以采用二次离子交换工艺(见刘德森发明专利：改善自聚焦透镜像差特性的新方法，CN1790062A，2006.6.21)。就是将离子交换好的方形玻璃丝，放入5-10％NaNO₃和90-95％KNO₃的混合盐中.离子交换温度是525℃±5℃，二次离子交换的时间是25～40分钟。二次离子交换的时间是根据仅修正透镜边部的折射率分布的要求来确定。实验证明，对一次离子交换和二次离子交换后的方形自聚焦透镜的畸变量进行测量，校正前为11.2％，校正后为2.95％。校正结果表明，二次离子交换后，方形自聚焦透镜的像差有了明显的改善。

(3)方形孔径自聚焦透镜阵列的制作

由于方形孔径自聚焦透镜阵列是通过排列工艺由多个方形自聚焦透镜构成，为了确保阵列的成像质量，单个方形自聚焦透镜要满足如下要求：边长尺寸非均匀性和光学性能非均匀性均小于1％。排列方法是：在事先作好的玻璃、或金属的“ㄩ”形框内，用光学胶将方形丝紧密排成一排(如5根左右)，在单排上面，均匀地涂上很薄一层光学胶，再采用同样方法，排第二层方形丝，直到排完所需层后，上面再粘上一块玻璃基片，就制成一块微透镜阵列毛坯，最后，对毛坯进行研磨加工处理，就可以得到性能良好的方形自聚焦透镜阵列。

本发明有益的技术效果是：制作的方形自聚焦透镜，经过像差校正后，折射率分布接近理想状态，成像性能好。理论和实验证明，方形自聚焦透镜的折射率分布不仅与径向坐标r有关，而且与角度坐标θ有关。只要单个方形自聚焦透镜的几何尺寸精度高，制作出的微透镜阵列就会有很高的填充系数，达到95％以上。

附图说明

图1是方形孔径自聚焦透镜阵列的结构示意图。

图2制作的方形自聚焦透镜的干涉照片。

图3制作的方形自聚焦透镜不同方向上的折射率分布曲线。

图4制作的方形自聚焦透镜校正前的畸变照片。

图5制作的方形自聚焦透镜校正后的畸变照片。

具体实施方式

实施例1：

首先，将直径1.86mm的含铊玻璃丝用酒精清洗干净，用砂轮片加工成长度为10mm的短丝。取10根排成一排，用蜂腊平整地粘在事先磨好的玻璃基片上。为了得到正方形柱体，根据理论分析，采用玻璃研磨工艺要磨去0.27mm高的圆弧。将玻璃基片加热，取下玻璃丝，将玻璃丝平的一面用蜂腊粘在玻璃基片上，采用同样工艺磨出第二个平面。然后，再采用相同工艺磨出第三和第四个平面，就得到了正方形铊玻璃丝。需要注意的是，加工时要求边长误差小于1％，正方形的四个角一定是标准的直角。

其次、将方形铊玻璃丝放入自制的离子交换炉中进行，要求炉温稳定、均匀。其温度波动小于±0.5°，在530±5℃温度下交换120-130小时，交换溶盐是KNO₃.

第三、由于方形自聚焦透镜的像差较大，我们在自制的离子交换炉中，采用二次离子交换工艺进行像差校正。将离子交换后的方形玻璃丝，放入5-10％NaNO₃和90-95％KNO₃的混合盐中.离子交换温度是525℃±5℃，二次离子交换的时间是25～40分钟。二次离子交换工艺可以明显地改善方形自聚焦透镜的像差。实验证明，对一次离子交换和二次离子交换后的方形自聚焦透镜的畸变量进行测量。校正前为11.2％，校正后为2.95％。参见图4、图5。

第四、对交换好的铊玻璃丝，先取样测量出有关参数：周期长度16.7mm，聚焦常数0.376mm^-1，边长1.3mm.然后，按确定尺寸将方形玻璃丝加工成方形自聚焦透镜。

第五、方形孔径自聚焦透镜阵列制作。参见图1将制作好的五个方形自聚焦透镜2在“ㄩ”形槽1中排成一排，用光学胶固定。在第一排上再排第二层，用光学胶固定后再排第三层、第四层和第五层，最后用玻璃片3因定在上面。阵列排列时一定要使相邻透镜间紧密接触，以提高阵列的填充系数。

第六、干涉样品制作。将自聚焦透镜样品嵌在有机玻璃中，经过精密加工，做成厚度为0.19mm～0.25mm的干涉片，利用雅明干涉的方法，得出方形自聚焦透镜的干涉条纹图像，参见图2.通过测试不同级次的条纹半径长度，就可求出在不同r值处的折射率，参见图3。测试结果表明，不同方向角上尽管半径一样但折射率不同，说明方形自聚焦透镜的折射率分布与半径和方向角均有关。结合实验数据，从理论上推导出方形自聚焦透镜折射率分布的数学表达式。即：

$n(r,\theta )=1.617-0.010r^{\frac{1}{2}}\cos \frac{1}{2}\theta -0.031(r\cos \theta +r^{\frac{3}{2}}\cos \frac{3}{2}\theta )+0.021r^{\frac{3}{2}}\mathrm{}$

第七、方形孔径自聚焦透镜阵列性能测量。利用我们实验室的测试仪器对方形自聚焦透镜和方形孔径自聚焦透镜阵列的主要光学特性进行测量。

实施例2：

首先，对圆形玻璃丝进行离子交换。在自制的离子交换炉中进行，要求炉温稳定、均匀。其温度波动小于±0.5°，在530±15℃温度下交换120-130小时，交换溶盐是KNO₃.

其次，将圆形交换丝采用实施例1方法研磨成方形交换丝，第三，通过二次离子交换工艺以改善像差，再作成方形自聚焦透镜，第四，在“ㄩ”形槽中将方形自聚焦透透镜排列成阵列，再用胶固定，最后，采用研磨加工成方形孔径自聚焦透镜阵列。